大气扩散浓度估算模式
大气扩散浓度估算模式----(重要的文献)
由统计理论可写出方差表达式
2 y
0
y 2 cdy
0
cdy
z 2 cdz
0
„„„„„„„„②
z2
根据假设③④的连续性条件可写出
Q
0
cdz
„„„„„„„„③
ucdydz „„„„„„„„④
16
u
上式中： ū — 平均风速； Q—源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正 比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常： （ⅰ）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示； （ⅱ）连续点源以单位时间的释放量表示； （ⅲ）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示； （ⅳ）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。 δy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y 的函数，m； δz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z 的函数，m； 未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b； 式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数， 故方程式可解。
扩散参数的确定中国国家标准扩散参数的确定中国国家标准规定的方法规定的方法扩散参数的表达式为取样时间05h按表48查算平原地区和城市远郊区def向不稳定方向提半级工业区和城市中心区c提至b级def向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市同工业区取样时间大于05h不变特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式主要指气象条件与高斯模式不一样温度层结构均一实际中难以实现封闭型扩散模式相当于两镜面之间无穷次全反射实源和无穷多个虚源贡献之和n为反射次数在地面和逆面实源在两个镜子里分别形成n个像38一封闭型扩散模式一封闭型扩散模式计算简化
2 2 y z C x, y , z exp 2 2 2 2 ……………………⑧ 2 u y z z y Q
4《大气污染控制工程》教案-第四章
第四章大气扩散浓度估算模式第一节湍流扩散的基本理论一、湍流概念简介大气的无规则运动称为大气湍流。
风速的脉动（或涨落）和风向的摆动就是湍流作用的结果。
按照湍流形成原因可分为两种湍流：一是由于垂直方向温度分布不均匀引起的热力湍流，其强度主要取决于大气稳定度；二是由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的机械湍流，其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。
实际的湍流是上述两种湍流叠加的结果。
湍流有极强的扩散能力，比分子扩散快105～106倍。
但在风场运动的主风方向上，由于平均风速比脉动风速大的多，所以在主风方向上风的平流输送作用是主要的。
归结起来，风速越大，湍流越强，大气污染物的扩散速度越快，污染物的浓度就越低。
风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素，其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀释的。
二、湍流扩散理论简介大气扩散的基本问题，是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减的关系问题。
目前处理这类问题有三种广泛应用的理论：梯度输送理论、湍流统计理论和相似理论。
1.梯度输送理论梯度输送理论是通过与菲克扩散理论的类比而建立起来的。
菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。
湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。
为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。
然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能是在持定的条件下求出近似解，再根据实际情况进行修正。
2．湍流统计理论泰勒首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。
图4-1是从污染源放心的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中的扩散情况。
假定大气湍流场是均匀、稳定的。
从原点放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。
如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。
大气污染控制工程04大气扩散浓度估计模式
(x)2uQ yzex p(2y [2y 22z2z2)]
比较两式可见，地面连续点源所造成的污染物浓度
恰是无界空间连续点源所造成的浓度的两倍。镜像垂直于
地面，源强加倍。
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五、颗粒物扩散模式
排气筒排放的粒径大于15μm的颗粒物，由于明显的重力沉降作
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高斯模式的有关假定-坐标系
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2、四点假设
(1)污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布(正态分 布)；
(2)在全部空间中风速是均匀的、稳定的 (3)源强是连续均匀的 (4)在扩散过程中污染物质量是守恒的。
对后述的模式，只要没有特别指明，以上四点假设条 件都是遵守的。
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二、无限空间连续点源扩散的高斯模式
用，可按倾斜烟流模式计算地面浓度。
(x ,y ,0 ,H )(1 )Q e x (y p 2){ e(H x v p tx/u [)2]
2uy z
2y 2
2z 2
α： 颗 粒 的 地 面 反 射 系 数 ， 表 4 - 1 查 （89页） 0-0.8
vt：颗粒的重力沉降速度，m/s dp: 颗粒直径，m ρp：颗粒密度，kg/m3 g ：重力加速度， m/s2 整理课件
中推荐的公式 由于影响烟流抬升的因素多而复杂，还没 有一个通用的计算公式。现在所用都是的 经验或半经验公式。
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1、霍兰德公式
H v s u D ( 1 .5 2 .7 T S T s T a D ) u 1 ( 1 .5 v s D 9 .6 1 3 Q 0 H )
式中 vs :烟气出口流速 m/s D：烟囱出口内径 m
大气污染扩散及浓度估算模式概述
大气污染扩散及浓度估算模式概述大气污染是指空气中某些物质或能量的浓度超过了一定的标准，对人类健康、生态系统和环境产生一定危害的现象。
而大气污染扩散及浓度估算模式则是一种基于数学、物理学原理的模拟工具，用来描述和预测大气污染物在大气中的扩散传播过程及其浓度分布情况。
扩散模式的基本原理大气污染物的扩散传播是受到气象条件、地形地貌、大气污染物排放源等多种因素的影响。
因此，扩散模式一般包括了以下几个基本原理：1.对流扩散：大气中的对流运动是造成大气污染物扩散的主要因素之一。
通过对流运动，大气中的污染物会随着空气的流动在近地层逐渐扩散。
2.湍流扩散：湍流是大气中涡动和乱流的运动形式，对大气污染物的扩散传播起着重要作用。
湍流扩散模式一般基于大气边界层内的湍流动力学理论建立。
3.稳定度影响：大气的稳定度会影响大气污染物的扩散情况。
在稳定的大气层中，扩散较小，而不稳定的大气层则容易形成污染物下沉和较大范围的扩散。
4.地形地貌影响：地形地貌会对大气污染物的扩散产生重要的影响，如山脉、山谷等地形特征会对污染物传播产生局部影响。
浓度估算模式的发展随着大气环境科学的发展和计算机技术的进步，大气污染扩散及浓度估算模式得到了长足的发展。
目前，常用的大气污染扩散及浓度估算模式主要包括了以下几种：1.高斯模型：高斯模型是最简单的扩散模型之一，假设大气污染物的传播呈现高斯分布。
其适用于平坦地形、均匀排放源的情况。
2.拉格朗日模型：拉格朗日模型是一种基于粒子运动轨迹的扩散模式，可以更准确地描述污染物的扩散传播路径。
3.欧拉模型：欧拉模型是一种基于流体动力学方程的扩散模型，适用于描述大气边界层内的湍流扩散过程。
4.数值模拟模型：数值模拟模型是最常用的大气污染扩散及浓度估算模式之一，利用数值计算方法对复杂的大气扩散传播过程进行模拟。
应用及展望大气污染扩散及浓度估算模式在环境保护、城市规划、应急响应等领域具有重要的应用意义。
通过对大气污染物的扩散传播过程进行模拟和预测，可以帮助政府及相关部门制定合理的环境政策和控制措施。
4大气扩散浓度估算模式
H2 ( x,0,0, H ) exp 2 2 u y z 大浓度)模式：
2Q z max 2 u H e y
z
x xmax
H 2
四. 地面连续点源扩散模式
y2 z 2 ( x, y, z,0) exp 2 2 u y z 2 z2 y Q
（2）当1700kW<QH<2100kW时：
QH 1700 H H1 H 2 H1 400
2(1.5vs D 0.01QH ) 0.048 (QH 1700 ) H1 u u
H2 0.332Q
3/ 5 H
H
2/ 5 s
u
1
（3）当QH≤1700kW或∆T<35K时：
吉福德（Gifford）
1. 根据常规气象资料确定稳定度级别
表4-4 稳定度级别划分表 地面风速u10 /m.s-1 <2 白天太阳辐射 强 A 中 A-B 弱 B 阴天的白 天或夜间 D 有云的夜晚 薄云遮天或低云≥5/10 云量≤4/10
2-3
3-5 5-6 >6
A-B
B C C
B
B-C C-D D
kw24875273140201402509783510024875303一pg扩散曲线法帕斯奎尔pasquill吉福德gifford根据常规气象资料确定稳定度级别表44稳定度级别划分表地面风速u10ms1白天太阳辐射阴天的白天或夜间有云的夜晚薄云遮天或低云510云量41023ab1稳定度级别中a为强不稳定b为不稳定c为弱不稳定d为中性e为较稳定f为稳定2稳定度级别ab表示按ab级的数据内插3夜间定义为日落前一小时至日出后一小时4不论何种天气状况夜间前后各一小时算作中性5强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于60的条件弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角为1535
大气扩散浓度估算模式
§第三节 污染物浓度的估算
2. 扩散参数的确定
（1）P－G曲线法
P－G曲线由.根据常规气象资料估算 再由Gifford制成方便的图表
§第三节 污染物浓度的估算 P－G曲线的应用
根据常规资料确定稳定度级别
§第三节 污染物浓度的估算
利用扩散曲线确定 y和 z
§第三节 污染物浓度的估算
H =0.362QH x u
1/3 2/3 1/3 2/3
1 1
H =1.55QH H s u
H =0.332QH 3/5 H s 2/5
3/5 3/5 6 / 5
x*=0.33QH H s u
§第三节 污染物浓度的估算
（3）我国国家标准（GB/T13201-91)中规定的公式
0
源强积分式
（单位时间物料守恒）
q
ucdydz
§第二节 高斯扩散模式
q y2 z2 c( x, y , z ) exp[ ( )] 2 2 2 y 2 z 2πu y z
§第二节 高斯扩散模式
高斯烟流中心线上的浓度分布
§第二节 高斯扩散模式
3. 高架连续点源扩散模式
熏烟型的污染示意图
§第四节 特殊气象条件下的扩散模式
• 例题4-6： • 某电厂烟囱有效高度150m，SO2排放量151g/s。 夜间和上午地面风速为4m/s，夜间云量3/10。 若清晨烟流全部发生熏烟现象，确定下风向 16km处的地面轴线浓度。
例题4-6
• 解：夜间u=4m/s、云量=3/10时，由表4-3查 得稳定度为E级。由E级和x=16km查表4-4得 σy=544m，σz=100m。则求得：
15.8大气污染物浓度估算方法
3．卡森－摩西（Carson and Moses）公式 此式仅适用于QH≥8.374×103 kW的烟源。
H
1/ 2 C1U S d C2 QH
u
4．康凯维（CONCAWE）公式 此式仅适用于 排热率QH<8.374×103 kW的中小规模烟源。
H 2.703Q
1/ 2 H
u
( 3 / 4)
图15－25 下风向距离与垂直扩 散参数的关系（取样时间10min）
3．浓度的计算 计算地面轴线最大浓度Cmax和它出 现的距离时，虽然从P-G曲线查得的σy和σz 之比值并 不满足不随距离x而变化的条件，但作为粗略的估算， 仍可采用式 (15 － 42) 和式 (15 － 43) 。方法是：先按式 (15 － 42) 计算出，再从图 15 － 25 或表 15 － 7 中查出与 之对应的x值即为在该稳定度下的。再从图（15－24） 或表 15 － 7 中查出与该对应的值，利用式 (15 － 43) 计 算出Cmax值。这种方法的计算结果，在稳定度为D、 C 级时误差较小，E、F级误差较大。H越大，误差越 小。 计算非最大地面轴线浓度时，由P-G扩散曲线或表 15－7查得σy和σz 后，根据需要代入式（15－40）或 式（15－41）计算。
15.8.2.3中国国家标准规定的方法
1. 稳定度划分 按表15－6确定大气稳定度时， 辐 射强弱欠缺客观标准，主观性强，对同一天气情况不 同的人可能定为不同的稳定度。特纳尔（D.B.Turner） 提出根据太阳高度角、云高和云量确定稳定度级别的 方法，简称P-T法。但该法中用以确定太阳辐射等级的 云量、云高比较复杂，不便我国应用。在P-T法基础上 修订成的中国国家标准（GB/T13201－91）中规定 的方法是，先由云量和太阳高度角按见表15－9查出 辐射等级数，再由辐射等级数与地面风速按表15-10 查出稳定度级别。
第四章 大气扩散浓度估算模式
(x, y, z) A(x)eay2 eby2
（4－1）
由概率统计理论可以写出方差的表达式：
y 2 dy
2
0
y
0 dy
2 z
z 2 dy
0
dy
0
由假定④可以写出源强的积分式：
Q udydz
（4－2） （4－3）
由上面四个方程组成的方程组，其中可以测量或计算的已 知量有源强Q、平均风速ū、标准差σy，σz，未知量有浓 度ρ，待定函数A（x），待定系数a和b。因此方程组可 以求解。
1
a
2
2 y
b 1
2
2 z
A( x)
Q
2 u y z
将上式（4－4）和（4－5）代入式（4－1）中，便得到 无界空间连续点源扩散的高斯模式：
②利用扩散曲线确定σy和σz 。 图4－4和图4－5便是帕斯奎尔和吉福德给出的不同稳
定度时σy和σz随下风距离x变化的经验曲线，简称P-G曲 线图（两图对应的取样时间为10 min）。在按表4一3确 定了某地某时属于何种稳定度级别后，便可用这两张图查 出相应的σy和σz值。
此外，英国伦敦气象局还给出了表4-4，用内插法可 求出20 km距离内的σy和σz值。
2、湍流统计理论 泰勒于1921年提出了著名的泰勒公式。图4-1是从污染 源排放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情 况。假定大气湍流场是均匀、定常的，从原点放出的一个 粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。 如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓 度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。 高斯（Gaussian）在大量实测资料分析的基础上，应用 湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即通常 所说的高斯模式。
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y2 H2 exp x , y ,0, H exp 2 2 2 2 令y＝0、z＝0，得
第四章 大气扩散浓度估算模式
• • • • • • • 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 大气扩散 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区的扩散模式 烟囱高度设计 厂址选择
4.1 大气扩散
• 污染物进入大气后，随着大气的运动发生迁移、扩 散稀释及降解转化。
• 4.2.4 无界空间连续点源扩散模式
• 正态分布函数
x, y, z A x e
• 式中
ay 2
e
bz 2
a
• 则
1 2
2 y
b
1
2 2 z
2 y2 Q z x, y , z exp 2 2 2 2 2 u y z y z
• 4.1.2.2 湍流扩散
• 1）大气的无规则运动称为大气湍流。根据其成因可把湍流 分为两类：
• 热力湍流：垂直方向温度分布不均匀，使空气发生垂直运动 并进一步发展形成。其强度主要取决于大气稳定度。 • 机械湍流：由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起 的湍流。其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。
H2 x ,0,0, H exp 2 u y z 2 z Q
• 3）地面最大浓度模式
max
z 2Q 2 uH e y
z
x x max
H 2
• 4.2.6 地面连续点源扩散模式 • 令H=0，得
y2 z2 exp x , y , z ,0 exp 2 2 2 2 u y z y z Q
高斯烟流的形态
高斯烟流的浓度分布
高斯烟流中心线上的浓度分布
• 4.2.5 高架连续点源扩散模式 • 对于高架连续点源，必须考虑地面对扩散的影响，即把地面的 全反射作用考虑进去。 y 2 z H 2 z H 2 Q x, y, z, H exp 2 exp exp 2 2 2 2 2 2 u y z y z z
4.2 高斯扩散模式
• 高斯应用湍流统计理论得出了正态分布假设下的扩散模式，应用 较广。 • 4.2.1 高斯模式的坐标系
• 4.2.2 坐标系
• 右手坐标，y为横风向，z为垂直向
• 4.2.3 四点假设
• • • • 1）污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布； 2）在全部空间中风速是均匀的、稳定的； 3）源强是连续均匀的； 4）在扩散过程中污染物的质量是守恒的。
• 常温下，空气的分子扩散系数约(1.4～1.8)×10-5m 2/s，湍流扩散系数约为10-3～10m2/s。
• 4.1.3 降解和转化
• 环境中的污染物可分为持久性污染物和非持久性污染物 两大类。持久性污染物进入大气后，位置和浓度随着大 气运动发生变化，但总量一般不发生变化。非持久性污 染物除了会发生位置改变和降低浓度外，还由于降解与 转化作用进一步降低浓度，这些行为有物理的、化学的 以及生物的，从而使其浓度及性质发生了变化。 • 1）重力沉降 • 2）降水及云雾对污染物的清洗作用 • 3）地表面对大气污染物的清除作用 • 4）大气中污染物的化学反应
• 式中vi为颗粒的重力沉降速度，计算如下
i
d2 p pg 18
• 4.2.8 地面源和高架源的地面轴线浓度分布
4.3 污染物浓度的估算
• 4.3.1 烟气抬升高度的计算 • 烟囱的有效高度：烟囱的几何高度Hs与烟气抬升高度 ΔH之和即为烟囱的有效高度H。 • H= Hs + ΔH
• 大气湍流是热力湍流和机械湍流的共同作用。 • 风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接、最本 质的因素。
• 2）湍流扩散理论简介
• (1)梯度输送理论 • (2)湍流统计理论 • (3)相似理论
• 4.1.2.3 弥散作用
• 由于横断面上实际流速的不均匀分布，在用断面平均流速表 示实际运动时，必须考虑一个附加的、由于流速不均匀引起 的分散作用——弥散。
• 4.2.7 颗粒物扩散模式 • 对于粒径小于15μm的颗粒物，其地面浓度可由上述的气体扩散模 式计算，对于粒径大于15μm的颗粒物，必须考虑重力沉降作用， 可按倾斜烟流模式计算地面浓度：
2 2 H x / u 1 Q y i x , y,0, H exp 2 exp 2 2 2 z 2 u y z y
• 1）霍兰德（Holland）公式
sD Ts Ta 1 3 H 1 . 5 2 . 7 D 1 . 5 D 9 . 6 10 QH s Ts u u
• 霍兰德修正：对不稳定条件，烟气抬升高度增加10～2 0％；对稳定条件，减少10～20％。
• 4.1.1 推流迁移
• 污染物在随着大气在x、y、z三个方向上平移运动所 产生的迁移作用，也称为平移作用。推流迁移只改变 污染物所处的位置，不改变污染物的浓度。
• 4.1.2 分散稀释
• 污染物在大气中分散稀释的主要作用机理有：分子扩 散、湍流扩散与弥散作用。
• 4.1.2.1 分子扩散
• 由于分子的随机运动而引起的质点分散现象称为分子扩散。 气态污染物在存在浓度梯度的情况下，由于分子运动，使 气体分子从高浓度区向低浓度区扩散。